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周昌明
(四川锅护厂 金堂县 610401)
摘 要：采用连续切片方式制样，应用金相显微镜观察了19Mn6钢厚板焊接熔合区的裂纹形态及钢板不同厚度时的裂纹演变状况。用晶界侵蚀剂，对焊接熔合区进行侵蚀，进一步明确了裂纹在熔合区的真实位置及分布形态。分析了裂纹产生的原因，提出了预防措施。
主题词：焊接熔合区；未熔合；裂纹形态；晶界浸蚀剂
1 情况简介
某 220t锅筒规格为ф1600mm×110mm，L=13194mm。材质为19Mn6，δ=110mm。锅筒经环缝焊接后，进行超声波探伤，两条环缝距 内壁20～30mm焊缝处有许多裂纹。对两条环缝采用碳弧气刨清除缺陷，然后用手工焊返修，将两条环缝沿筒体整圆切除，重新下料加工坡口后焊接，再经超声 波探伤，在返修焊缝内仍发现许多裂纹。
2 焊接条件
图1为筒体环缝坡口示意图。筒体内壁用手工焊封底， 焊条用J507，ф5mm，电流150～200A。外壁采用埋弧自动焊，焊丝H08MnMoA，ф5mm，电弧电压34～36V，电流650～700A0 焊接速度为48～50cm/min。焊剂HJ350。焊前预热温度100～150℃。
筒体内壁焊缝返修采用碳弧气刨清除缺陷，并刨成如图1所示的返修坡口。根据环缝返修记录：预热及层间温度、焊条、电流等均在要求范围之内。焊接所用19Mn6钢板和焊条的化学成分及力学性能分别列入表1，2。由表可知，19Mn6钢及J507焊条材质符合标准。
图1 工艺规定坡口及反修坡口
3 宏微观检验
3.1 宏观检验
将 环缝接头样品沿焊缝横截面切片作宏观分析。试样经粗磨后，用20%硝酸水溶液作低倍侵蚀。以观察低倍组织寻找裂纹。若试面无异常则继续取样。如此反复进行 至发现缺陷为止。在检查中对整块大试样共切10片，每片厚度约20mm。经全面观察，发现有两个试样的熔合区存在缺陷，其中一试样在正反磨面同一部位熔合 区处有裂纹缺陷。正面缺陷位置如图2所示(图2略)，裂纹长约2.5mm，从宏观上看极似未熔合。而反面同一部位有一条灰白色夹渣。将反面细磨抛光后侵 蚀，沿母材(图中深色区)与焊缝熔合线界面处存在两条灰色夹渣。夹渣中间为一条细缝，总长约1.2mm，见图3。根据正反两面缺陷的连接与相似性，易将缺 陷判为未熔合。为准确判定缺陷性质，对缺陷处继续制样进行微观分析。
3.2 微观检验
在图3夹渣未溶合开裂处进行连续减薄磨面制样，并采用晶界侵蚀剂侵蚀试样，分析裂纹的具体部位及转变状态。晶界侵蚀剂成分为3g苦味酸十5m1(海鸥洗洁剂+0.5%亚硝酸钠)水溶液+100m1H20。侵蚀温度55～65℃，侵蚀时间约5min。
图3 熔合线上夹渣4%硝酸酒精溶液侵蚀 70× 图4 熔合线处裂纹及一次结晶组织 20×
图 4显示了焊缝的一次结晶组织。宏观显示的缺陷实质上是垂直穿过熔合线的裂纹。裂纹上部位于多次受重复热循环影响的焊缝内，裂纹下部伸入母材热影响区。将图 4磨面继续减薄约4mm厚制样，图5显示出裂纹呈Z形分布。裂纹中部垂直穿过熔合线;裂纹上端伸入焊缝与熔合线平行，尾部曲折延伸;裂纹下端伸入母材且平 行熔合线，尾部曲折延伸。图5用晶界侵蚀剂侵蚀后，显示出裂纹沿一次结晶组织分布的形态及真实熔合线，见图6。从图6还可见到焊缝内的裂纹沿焊接热循环弧 线扩展，尾部曲折伸入一次柱状晶组织中。证实了由4%硝酸酒精溶液显示的熔合线并非真实熔合线。将图5检查面继续磨薄，裂纹形态如图7所示。原裂纹的直端 熔合区部位已出现裂纹呈尖角交接状，且主裂纹已出现了次生裂纹长大现象。在300倍显微镜下观察，焊缝内裂纹也呈Z形，尾部明显穿晶具冷裂纹特征，见图 8。焊缝金相组织为铁素体+珠光体及部分粒状贝氏体，晶粒很细。
图5 裂纹呈Z型扩展 80× 图6 裂纹处真实熔合线 80×
4%硝酸酒精溶液侵蚀
图7 主裂纹上二次裂纹长大 80× 图8 焊缝内裂纹尾部穿晶扩展 300×
4%硝酸酒精溶液侵蚀 4%硝酸酒精溶液侵蚀、
4 分析与讨论
4.1 熔合区裂纹与焊接工艺关系
通常碳当量是确定钢材可焊性的依据。根据国际焊接学会(IIW)所推荐计算公式：
Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+(Ni+Cu)/15
19Mn6 钢的Ceq=0.32%，属可焊性较好。一般只要按工艺正确施焊是不会产生裂纹的。但第一次焊接和返修焊接情况表明，首次焊接前筒体一侧坡口加工不好，当 然返修的坡口就更不符合标准，造成手工焊打底与自动焊交接处形成焊缝内凹过大，不易施焊。由上分析可知，在焊接热影响区内凹最大部位熔合线处产生了坡口方 向长约20mm的未熔合现象，且未熔合部位存在夹渣。
4.2 裂纹与热影响区内凹的关系
采用传统的4%硝 酸酒精溶液侵蚀显示的裂纹分布在焊接熔合区的熔合线上，但使用晶界侵蚀剂浸蚀，显示出裂纹是垂直穿越热影响区内凹最严重的熔合线部位，并展现了焊缝内的裂 纹是沿受焊接重复热循环弧线扩展的。由此可知，在厚板施焊时热影响区内凹部位易产生未熔合并发展为裂纹。这是因为焊道形状变化内凹区是一个热点，传热性能 差，高温下停留时间较长，且易形成应力集中，加之未熔合夹渣诱导了裂纹生成。焊接热影响区内凹的形成又主要与焊缝返修时碳弧气刨形成的坡口较窄有关，也与 熔池热传导不均匀有关。因而正确加工坡口与施焊是防止内凹严重的有效方法。
4.3 试样厚度不同时的裂纹形态变化
上 述分析及图片显示，同一条裂纹在焊接接头中不同厚度横截面上，裂纹的主要形态基本是相同的。图3显示的未熔合处随制样深度的增加显示出裂纹的形态为Z形， 且分别向焊缝和热影响区曲折延伸，并随裂纹的扩展在主裂纹上萌生二次裂纹及二次裂纹长大。根据裂纹处组织显示未发现淬硬组织，而且该部位由于受多次焊接热 循环作用致使晶粒细化。但当该部位有未熔合等缺陷存在时即使晶粒细化也不能阻止复杂的厚板焊接应力作用，使之向裂纹转变。
5 结论
220t锅筒环缝焊接时，由于焊接熔合区内凹较大处存在沿坡口方向较长的未熔合，从而严重地降低了该处的力学性能。且未熔合两端开口较宽并带有尖角形夹渣导致应力更加集中。在复杂的厚板焊接应力作用下使未熔合向裂纹转变，同时向焊缝和母材呈Z形穿晶扩展。
6 措施
(1)严格按工艺加工坡口，确保坡口各尺寸符合要求。
(2)严格执行焊接工艺，正确预热及层间保温。
采取措施后，所焊环缝均一次合格。
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